火電廠循環流化床鍋爐低氮燃燒系統改造淺析

王娜，鄭曉東

（青島金海熱電有限公司，山東 青島 266000）

我國的發電行業以火力發電為主，火力發電的燃料主要是煤炭，煤炭燃燒會產生大量的污染物，其中，氮氧化物（NOx）是燃煤電廠排放的主要污染物之一。據統計，燃煤電廠NOx排放量占到全國排放總量的35%以上，是我國NOx排放的最大來源[1]。

隨著國家對環保要求的迅速提高，各項環保法律法規相繼頒布實施，燃煤鍋爐NOx的排放控制越來越嚴格，因此高效低成本的NOx控制技術對滿足排放要求具有十分重要的意義。

燃煤鍋爐NOx控制技術分為燃燒調整和煙氣脫硝兩大類。其中燃燒調整通常稱為低氮燃燒技術，低氮燃燒技術是一種簡單、高效、低成本的初級脫硝方法，可以從源頭控制NOx的生成，以減少后續NOx的排放。循環流化床鍋爐常用的低氮燃燒技術主要包括：低氧燃燒（低過量空氣燃燒、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環）、低氮燃燒器和適合低氮燃燒的爐膛設計等[2]。

1 NOx生成機理與循環流化床鍋爐運行分析

1.1 NOx生成機理

燃燒過程中形成的NOx主要是NO和NO2，主要有以下三種生成途徑：1）熱力型NOx，空氣中的N2在高溫下氧化生成；2）燃料型NOx，燃料中的固定氮在燃燒過程中熱分解后又接著氧化生成；3）瞬時型NOx，由空氣中的N2和燃料中的碳氫離子團反應生成[3]。其中，燃料型NOx的產生量最多，約占總生成量的60%以上；熱力型NOx的生成和燃燒溫度有很大的關系，在溫度足夠高時，其生成量可占總生成量的30 %；瞬時型NOx生成量很小。

1.2 循環流化床鍋爐運行分析

循環流化床鍋爐NOx排放主要受煤質條件、燃燒方式、運行方式、一二次風配比等多種因素影響。循環流化床低氮燃燒的關鍵在于燃燒過程中最佳燃燒溫度、一二次風配比和二次風分級布置等方面的協調。循環流化床鍋爐由于高濃度固體顆粒的阻擋作用，使流動煙氣中的氧含量很難穿越到爐膛中央，形成了爐膛中央氧量缺乏、兩側爐墻附近氧量豐富的凹拋物線分布曲線。低氮爐內的動力場，要求爐內的氧量分布盡可能均勻一致，以達到分級燃燒過程。因此，在合理的低氧條件下，如何實現爐內布風合理以及二次風的均勻穿透，是實現良好低氮燃燒的關鍵。

2 技術改造措施

該次改造的鍋爐是2005年由太原鍋爐廠制造，2011年安裝的循環流化床鍋爐，鍋爐型號為TG-75/5.29-M15，鍋爐設計效率86.6 %，燃燒溫度 850℃～900℃。由于該鍋爐為早期設計的流化床產品，設計時沒有考慮低氮燃燒，而目前燃用的煤種偏離設計煤種，含灰量偏低，揮發分偏高，分離器效率差，循環灰量嚴重不足，致使NOx排放濃度過高。主要原因為：1）爐膛溫度過高；2）燃燒密相區氧含量過大；3）一二次配比不合理。針對以上問題，該熱電公司于2014年和2016年兩次對鍋爐進行了低氮燃燒系統改造。

2.1 低氮燃燒初次改造

基于NOx的生成機理以及循環流化床鍋爐NOx排放濃度高的原因，該次改造針對爐膛燃燒密相區溫度高、氧含量大的缺點，采取以下措施降低燃燒密相區床溫和氧含量，從而降低NOx的生成。

2.1.1 增加煙氣再循環系統

為了有效減小一次風氧含量，又能夠滿足鍋爐一次風流化風量的需求，在引風機的出口位置設置煙氣再循環風機，將鍋爐尾部10%～30%的低溫煙氣回抽并混入助燃空氣中，與一次風、二次風混合后送入爐膛。這可有效降低一次風的含氧量和爐膛溫度，在鍋爐密相區形成低氧燃燒的環境，降低了鍋爐密相區的燃燒份額，進而降低熱力型NOx的生成。

2.1.2 二次風系統改造

利用空氣的分級燃燒原理，對鍋爐二次風系統進行重新布局，重新布置二次風口位置和二次風口數量。布風系統由原來的三面布置二次風（左右兩側墻布風加后墻布風）改為四面布風，水平方向進行分級；由原來的兩側墻各兩路、后墻三路布風，改為兩側墻和前墻兩路、后墻三路布風；將每路二次風分為上、下二次風，使二次風的布局更均衡。改造后燃料先在缺氧的富燃料條件下燃燒，降低了鍋爐密相區的燃燒速度和溫度，因而抑制了熱力型NOx的生成。在二級燃燒區內，通過改造加強二次風對燃燒的擾動，提高了鍋爐中、上部的燃燒份額，形成富氧燃燒區，彌補了密相區燃燒份額的降低。

通過增加煙氣再循環風機和對二次風系統改造兩項措施，降低了鍋爐密相區的燃燒溫度和氧含量，從而抑制NOx的生成，達到了良好效果。

2.2 低氮燃燒系統升級改造

2016年，該熱電廠對低氮燃燒系統進行了優化升級改造。

2.2.1 控制燃煤顆粒度

原輸煤系統篩煤機存在使用時間較長、設備老化，易造成鍋爐入爐煤粒徑偏大，不能滿足低氮燃燒的要求。通過檢修碎煤機，更換效率更高的篩煤機，調整碎煤機襯板間隙，保證鍋爐入口燃煤粒徑控制在8mm以下（至少在10mm以下），從燃煤環節控制入爐煤粒徑，以保證鍋爐在較低的一次風率狀態下運行。

2.2.2 改善一二次風分配比

在控制燃煤顆粒徑的條件下，為有效減小鍋爐一次風的含氧量，又滿足鍋爐一次風的流化風量需求，從引風機出口擋板門后增設一臺離心風機，將引風機出口經除塵的潔凈煙氣通過加壓后，送入鍋爐一次風機入口，充當鍋爐一次風。既有效降低了一次風的含氧量，又滿足了鍋爐一次風的流化風量需求。

一次風量降低后，鍋爐燃燒需要更大的二次風量，而鍋爐滿負荷情況下二次風無余量，該次改造中對二次風機進行更換，擴大原有二次風道，增加了二次風量，提高二次風的穿透力度，進一步滿足了鍋爐空氣分級燃燒的需要。

2.2.3 改善風帽氣流分布

鍋爐原設計的風帽小、角度不合理，導致鍋爐內部流化不充分，造成一次風量大，過量空氣系數偏高。該次改造重新設計了風帽的開孔率，調整了安裝角度，并將原鍋爐的小鐘罩風帽更換為大鐘罩風帽，從而降低一次風量，提高爐膛流化，降低了鍋爐密相區的燃燒份額，減少了NOx的生成。

2.2.4 其他改造措施

對分離器的中心筒進行了縮頸、偏置、加長，提高了煙氣流速和分離器效率，提高了循環物料量，在改善了鍋爐帶負荷能力的前提下有效降低了床溫。

隨著返料的增加，對返料器進行了改造，將原返料風分為返料風和松動風，單獨進行控制，同時加大返料風機的型號，以滿足更大的返料量。

通過爐膛內增加水冷屏和設置飛灰再循環系統的方式，提高了爐膛內的吸熱量，降低了爐膛密相區及循環物料的溫度，將床溫由950℃～980℃降低至900℃～930℃，以達到低溫燃燒的目的。

3 低氮燃燒改造效果

3.1 鍋爐運行精細化調整

為達到最佳低氮燃燒效果并保證鍋爐出力和運行的各項參數達到鍋爐設計要求，因此鍋爐的精細化調整十分重要。根據鍋爐運行參數調整二次風上下層、左右側風量和煙氣再循環風量，確保鍋爐燃燒正常；控制床溫和鍋爐含氧量，使床溫和整個爐內的物料溫度處于890℃～920℃的最佳溫度內，達到降低NOx生成的目的。

煤種是循環流化床鍋爐運行方式調整的關鍵，必須控制煤的顆粒度、揮發分、含氮量等各項參數，根據煤種變化，對煙氣再循環二次風上下層、二次風左右側的風量進行及時調整。

3.2 改造后鍋爐的運行效果

該公司在2014年完成初次低氮燃燒改造，并于當年的供熱季即投入低氮燃燒系統，鍋爐原始NOx由400～450mg/Nm3降至＜200mg/Nm3，實現氨水零消耗情況下的NOx達標排放。為保留適當的排放余量，在投入低氮燃燒系統+SNCR脫硝系統的情況下，控制NOx排放濃度在150～180mg/m3，噸標煤氨水消耗量約9.21kg。從表1可以看出，經過一個供熱季的調整，在2015～2016年的供熱季，氨水耗量較上年度的供熱季明顯降低，噸標煤氨水耗量由原9.21kg/t下降至7.79kg/t。

表1 低氮燃燒改造后氨水消耗量比較

該廠完成低氮燃燒升級改造后，在2016～2017年供熱季投運。氨水消耗量較上個供熱季明顯下降，與2015～2016年供熱季相比，噸標煤氨水耗量同比降低43.9%。2017～2018年供熱季，在NOx排放標準降低的情況下，氨水消耗量降至3.30kg/t，與2014年剛完成低氮燃燒改造時降低了64%。

2016年，該廠完成低氮燃燒改造后，降低了鍋爐出口NOx的排放濃度，且鍋爐出力、排煙溫度等指標均優于改造前的水平。如表2所示，改造前，鍋爐NOx的排放濃度為400～450mg/Nm3，改造后鍋爐出口排放濃度為120～130mg/Nm3，NOx排放濃度約降低了70%，從燃燒環節降低了NOx的生成，實現了NOx的前端控制、源頭控制，有效降低了后續脫硝設備的脫硝壓力和運行費用。通過低氮燃燒改造，使床溫由950℃～980℃降低至900℃～930℃，同時改造也間接提高了鍋爐帶負荷能力，改造前由于床溫高、蒸汽溫度高、二次風不足等原因，鍋爐負荷最高只能到71～73t/h，通過增加水冷屏、改造分離器等措施，鍋爐負荷可穩定達到75t/h。

表2 改造前后鍋爐運行狀況對比

4 結語

（1）青島某公司2臺75t/h循環流化床鍋爐兩次改造，通過增加煙氣再循環系統、一二次風系統改造、分離器的中心筒改造等措施，使鍋爐各項性能指標均達到了預期要求，實現了低氮燃燒改造的目的。

（2）改造間接提高了鍋爐帶負荷能力，改造前由于床溫高、蒸汽溫度高、二次風不足等原因，鍋爐負荷最高只能到71～73t/h，通過增加水冷屏、改造分離器等措施，使床溫由950℃～980℃降低至900℃～930℃，同時鍋爐負荷可以穩定達到75t/h。

（3）鍋爐的日常檢修維護和司爐的操作在脫硝運行中非常重要，通過每年的預熱器、煙道、除塵器、脫硫塔查漏及各部位人孔門的密封，有效降低了漏風系數。同時，司爐運行人員在日常操作中對鍋爐氧量的控制也起到了至關重要的作用。在供熱季，該廠的煙囪處的氧量一直控制在7%～8%，也有效降低了NOx的排放濃度。